CN106461492A - 用于探测气体的参数的装置，用于运行这种装置的方法和用于确定气体的参数的测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于探测气体的参数的装置(100)。装置(100)包括至少一个用于容纳来自外室(108)的气体的腔(104)，至少一个用于将腔(104)相对于外室(108)分开的膜(106)，其中，面对外室(108)的膜(106)的第一侧(110)具有第一层(114)导电的材料和面对的腔(104)，与第一侧(110)相对置的，膜(106)的第二侧(112)具有第二层(116)导电的材料，和其中，膜(106)的至少一个区段具有离子导电的材料，和至少一个布置在膜(106)处的、用于探测在腔(104)中的气体压力的压力测量元件(118)。
Description
现有技术
本发明涉及一种用于探测气体的参数的装置，一种用于确定气体的参数的测量系统，一种用于运行用于探测气体的参数的装置的方法，一种相应的装置以及一种相应的计算机程序。
用于探测氧气或二氧化氮的废气传感器目前几乎仅仅在陶瓷工艺或者是LTCC(低温共烧陶瓷)中制造。作为离子导体使用的活性层在此情况下多数由氧化钇稳定的二氧化锆(YSZ)制造和与另外的层组合，例如氧化铝为基的绝缘层或导电层，例如由Pt构成的层，其通过金属浆料压力被结构化和煅烧。
还存在用于构造固体电解质为基的、微机械的传感器的设计构思，其中，电流与通过电解质的离子流成比例。
此外，已知压力传感器，它们可以通过可变形的膜以非常高的分辨率测量小的压力差或也测量绝对压力，其中，在绝对压力测量情况下，使用具有恒定的封闭的气体量的气密的腔。用于制造腔的已知的工艺，其除了其他方面适用于在传感器中使用，例如是一个或多个基于SOI的APSM-工艺。
DE102004036032A1公开一种用于制造半导体元器件的方法，其中借助于第一外延层，其被施加在一个半导体载体上，在半导体载体的一个区域的上方由第一掺杂产生一个膜和借助于第二外延层，其被施加在所述半导体载体上，将一个结构化的稳定元件设置在半导体载体上。
本发明的公开
在这个背景下，通过在此处介绍的构思，提出根据主权利要求所述的一种用于探测气体的参数的装置，一种用于确定气体的参数的测量系统，一种用于运行用于探测气体的参数的装置的方法，此外一种使用这种方法的装置，以及最后一种相应的计算机程序。有利的设计方案由相应的从属权利要求和以下的描述中得到。
一种用于探测气体的参数的、具有用于容纳气体的腔的装置包括在覆盖所述腔的离子导电的膜的相对置的侧面上的两个导电的材料的层以及布置在膜处的压力测量元件。因此可以实现一种组合的传感器，其由一个压力传感器和一个基于在导电的材料的层之间的电压的气体传感器组成。
一种按照在此处介绍的构思建造的传感器装置允许改进对气体的探测，该气体可以借助于离子导电的材料直接地或间接地测量，即例如氧气或有害气体如氧化氮，尤其是在废气中，例如在机动车的废气中。
在此处建议的构思的一种扩展方案中，尤其可以取代瞬时测量小的气体浓度，实现要求很少费用的在时间上积分的测量模式。由此可以考虑有效的废气标准，其不是探测瞬时的浓度，而是要求积分的值，例如在确定的行驶路段上探测。在一个按照在此处建议的设计构思中，实现的传感器装置也可以使用在导电的层之间的电流，其不要求放大和/或屏蔽。由此可以有效地降低下游连接的测量机构的费用。
此外建议的设计构思实现传感器的功率消耗的和加热时间的减少，例如通过在运行装置中仅仅将离子导电的层而不是传感器作为复合体通过加热器加热到运行温度上。通过一种由此可能的非常快的加热升温，传感器的安装地点可以自由地选择，例如进一步远离对装置的壳体不利的、高的机动车废气温度。作为另外的优点，在建议的设计构思的一个扩展方案中，允许使用在离子导电的元件处的导电的层作为电极并且，作为加热器结构，允许一种具有较小的成本和提升的可靠性的显著简化的结构。
提出一种用于探测气体的参数的装置，其中，装置具有以下特征:
至少一个用于容纳来自外室的气体的腔（空穴）；
至少一个用于将腔相对于外室分开的膜，其中，面对外室的膜的第一侧具有第一层导电的材料和面对腔的、与第一侧相对置的、膜的第二侧具有第二层导电的材料，和其中，膜的至少一个区段具有离子导电的材料；和
至少一个布置在膜处的、用于探测在腔中的气体压力的压力测量元件。
该装置可以是一种用于确定气体浓度的传感器装置，例如在机动车的废气中。为此可以探测一个或多个气体的参数，例如用于泵送气体到腔中要求的泵电流的大小和/或位于腔中气体的气体压力。所述至少一个腔可以以凹槽（盆）的形式施加在用于安装所述装置的各个元件的衬底中，例如通过在衬底的表面上实施的蚀刻工序。外室可以表示一个位于腔外部的环境。外室可以在膜和装置的外壳之间或之外延伸。在外室中可以具有环境压力。膜可以由一种允许弹性变形的材料制造并且设计成用于在响应在腔内部中的气体压力下形成一个在外室方向上的拱形体。尤其地，膜可以借助于离子导电的材料被设计成用于允许气体在外室和腔之间扩散。第一和第二层导电的材料可以是金属层，通过在其处布置的电的接触接头可以在其上施加电势和/或通过接触接头可以在其处抽取电势。压力测量元件例如可以布置在膜面对外室的侧面上并且设计成用于压电地或压阻地探测气体压力。压力测量元件例如可以是电阻应变片或压力测量元件可以具有电阻应变片。
按照装置的一个实施方式，所述第一层导电的材料，所述膜和所述第二层导电的材料可以设计成用于，在第一层和第二层之间施加的电压下将气体通过膜泵送。备选地或附加地，第一层导电的材料，膜和第二层导电的材料可以设计成用于，在气体通过膜扩散期间在第一层和第二层之间产生电压。因此可以直接地借助于探测用于将气体从外室泵送到腔中和/或从腔中泵送到外室中的泵电流和备选地或附加地，借助于抽取基于气体扩散的电压，推断出气体的成分。
尤其地，第一层导电的材料和/或第二层导电的材料可以具有可透气的贵金属。因此可以有利地获得膜或膜的离子导电的区段的透气性。
按照另一个实施方式，第一层导电的材料和/或第二层导电的材料可以具有第一电的接触接头和第二电的接触接头并且被相应地设计成用于，基于在第一电的接触接头和第二电的接触接头之间的电流量加热膜的至少一个区段。用于加热膜的热量可以以简单的方式通过施加不同的电势到第一和第二电的接触接头上产生。因此可以取消在装置中的加热元件并且由此节省成本和结构空间。
尤其地，压力测量元件可以布置在膜的要加热的区段外部。因此可以直接地保证，压力测量元件的测量功能不会受到温度波动或对压力测量元件有损害的温度的影响。
按照一个特别的实施方式，第一层导电的材料和/或第二层导电的材料可以曲折形地（回形地）构造，例如在一个与膜的第一和第二侧基本上平行的平面中曲折形地延伸。尤其地，导电的材料的层，其被用于加热膜的区段，可以具有曲折形的走向。因此，为了最佳地加热膜，可以以简单的和牢靠的方式提供一个延长的加热路段。此外，在将不透气的材料用于导电的材料的层时，可以为气体的通过形成暴露的区域。
装置可以具有用于限制膜的偏转的止挡元件。止挡元件尤其可以布置在腔的底部上。通过这个实施方式，可以以简单的和成本有利的方式避免膜的损坏。
按照另一个实施方式，装置可以具有至少一个第二压力测量元件。第二压力测量元件可以布置在与压力测量元件的位置不同的、在膜处的另外的位置上。因此，通过探测在膜的不同的位置处的气体压力，可以更精确地确定在腔中存在的气体压力。尤其地，压力测量元件的探测方向可以与所述另外的压力测量元件的探测方向不同。探测方向可以是一种方向，在方向上压力测量元件在记录测量参数中经历物理的和/或化学的变化。如果压力测量元件例如实施成电阻应变片，那么探测方向可以对应于电阻应变片的延伸（应变）方向。该实施方式的这个具体的扩展方案实现更精确地确定气体压力。
按照一个特别的实施方式，装置可以具有至少一个另外的用于容纳来自外室的气体的腔，至少一个另外的用于将另外的腔相对于外室分开的膜和至少一个另外的布置在膜处的、用于探测在另外的腔中的气体压力的压力测量元件。在此，另外的膜的面对外室的第一侧可以具有另外的第一层导电的材料和另外的膜的面对另外的腔的、与第一侧相对置的，第二侧可以具有另外的第二层导电的材料。另外的膜的至少一个区段可以具有离子导电的材料。通过该实施方式，两个或更多个传感器元件可以集成在装置上。通过使传感器元件可以相互独立地用于测量过程，可以以简单的方式实施对各个传感器元件的功能检查。尤其地，通过在时间上错开地和/或轮转地使用各个传感器元件，也可以实现一种在时间上积分的、用于探测气体的模式。
此外提出一种用于确定气体的参数的测量系统，其中，测量系统具有以下特征:
根据在前面解释的实施方式的装置；和
评价机构，其中，评价机构与第一层导电的材料和/或第二层导电的材料和/或压力测量元件耦联并且设计成用于，基于第一层和/或第二层的至少一个电势和/或基于由压力测量元件探测的在腔中的气体压力确定气体的参数。
评价机构可以设计成用于，基于电势和基于气体压力交替地或同时地确定气体。尤其地，评价机构可以设计成用于，对于在时间上积分的测量，气体的确定在一个预先确定的时间间隔上，例如在机动车的一个行驶（路程）上，重复地实施。
此外介绍一种用于运行用于探测气体的参数的装置的方法，其中，装置具有至少一个用于容纳来自外室的气体的腔，至少一个用于将腔相对于外室分开的膜，其中，面对外室的、膜的第一侧具有第一层导电的材料和面对腔的、与第一侧相对置的、膜的第二侧具有第二层导电的材料和膜的至少一个区段具有离子导电的材料，和具有至少一个布置在膜处的、用于探测在腔中的气体压力的压力测量元件，和其中，所述方法具有以下步骤:
在第一层和第二层之间施加电压，用于将气体通过膜从外室泵送到腔中；和
至少在第一层和/或第二层处和/或在压力测量元件处探测电参数，用于探测气体的参数。
在第一层处和/或第二层处探测的电参数可以例如是用于泵送气体通过膜的泵电流的电流强度。如果由压力测量元件探测电参数，该电参数可以是基于压力测量元件的弹性变形的电压。
按照一个实施方式，所述方法此外可以具有步骤：在第一层和第二层之间重新施加电压，用于将气体通过膜从腔泵送到外室中，和相应地具有步骤：至少在第一层和/或第二层处和/或在压力测量元件处重新探测电参数，用于重新探测气体的参数。这个实施方式实现以简单的、成本有利的和灵活的方式在时间上积分地确定气体或气体成分。
按照另一个实施方式，用于运行装置的所述方法可以被作为脉冲宽度调制方法实施，其中，在第一层和第二层之间施加电压的步骤可以与为了加热膜的区段在第一层或第二层上施加电压的步骤交替地实施。因此借助于该方法，膜的有利的组合的加热和气体的测量值的确定可以借助于同一个装置元件实施。
在此处介绍的构思此外创造一种装置，其被设计成用于在相应的机构中实施和执行在此处介绍的方法的变型方案的步骤。通过本发明的这个装置形式的实施变型方案也可以快速并且高效地解决本发明基于的任务。
装置在此可以理解为一种电设备，其处理传感器信号和依据该传感器信号输出控制和/或数据信号。装置可以具有接口，其可以按照硬件和/或软件地构造。在按照硬件的构造情况下，接口可以是例如所谓的系统ASIC的一部分，它包含装置的各种极其不同的功能。但是也可以设想，接口是独立的集成电路或至少部分地由分立的元器件构成。在按照软件的构造情况下，接口可以是软件模块，例如在微处理器上除了其它的软件模块以外设置的。
一种计算机程序产品或具有程序编码的计算机程序也是有利的，其可以存储在可机读的载体或存储介质如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器上并且用于实施，执行和/或控制根据前述实施方式中任一个所述的方法的步骤，尤其地当程序产品或程序在计算机或装置上被执行时。
在此处介绍的构思以下借助于附图举例而言地详细解释。附图中所示:
图1是按照本发明的一个实施例的用于探测气体的参数的装置的横截面图；
图2是按照本发明的另一个实施例的用于探测气体的参数的装置的俯视图；
图3是按照本发明的一个实施例的用于确定气体的参数的测量系统的框图；和
图4是按照本发明的一个实施例的用于运行用于探测气体的参数的装置的方法的流程图。
在以下描述本发明的有利的实施例中，在不同的图中示出的和类似地作用的元件采用相同的或类似的附图标记，其中，取消对这些元件的重复描述。
图1在原理图中示出按照本发明的一个实施例的用于探测气体的参数的装置100的横截面图。装置100可以例如被安装在机动车中并且被设计成用于探测在机动车的废气中的有害气体的浓度。因此装置100也可以称为传感器装置或传感器。装置100具有衬底102，在衬底中施加室或腔104。腔104被膜106覆盖。由此膜106将腔104与外室108分开。膜106的第一侧110面对外室108，和膜106的与第一侧110相对置的第二侧112面对腔104。膜106的第一侧110具有第一层114导电的材料，和膜106的第二侧112具有第二层116导电的材料。与第一层114导电的材料相间隔地，用于探测在腔104中的气体压力的压力测量元件118布置在膜106的第一侧110上。压力测量元件118由此形成装置100的压力传感器元件。
在图1中示出的装置100的实施例中，衬底102由硅形成。备选地，也可以使用其它的适用于MEMS工艺的材料。除了提供腔104以外，衬底102此外还用作尤其是用于膜106和压力测量元件118的载体。压力测量元件118也可以包含–在此处没有示出-另外的用于压力测量需要的元件，例如温度传感器或温度补偿元件。但是作为温度传感器也可以使用传感器的另外的元件，例如加热器的电阻或设计成加热器的层114或116。如在图1中的视图示出的，腔104由衬底102的一个表面或主侧面120中加工出来，例如借助于蚀刻工艺。衬底102的表面120的围住腔104的区域被绝缘层122盖住。如装置100的横截面在图1中示出的，腔104由具有平的矩形底部124和与底部124垂直地延伸的壁126的、长方体形的槽（盆）构成。腔104浅地成形，其中底部124的尺寸超过壁126的高度。
理想地，室104尽可能浅地实施，以便能够在小的容积下同时地施加大面积的膜106。由此在小量的泵送气体下就已经可以实现高的压力改变。但是室壁126的高度向下受到限制。因为在被加热的膜106与室底部124之间的小的间距下，在此处也会发生热传递。由于室106的面积与容积的比仅仅由室104的高度决定，因此可以实现室104的微型化和与压力传感器118的几何要求的匹配。此外，该室或腔104的最小尺寸可以通过可靠性方面来确定，例如用于泵元件的要求的最小尺寸，以便在沉积情况下也保证功能。
膜106具有对应于腔104的底部124的矩形形状，其中，膜106的尺寸大于腔104的底部124的尺寸。如在图1中的视图示出的，膜106的环绕的边缘区域在衬底102的环绕腔104的边缘区域上被固定在衬底102的绝缘层122上并且由此将腔104与外室108分开。膜106由弹性的材料形成和可以在响应在腔104中相对于外室108存在的压力下在腔104的方向上和在外室108的方向上拱曲。为了允许通过膜106运送气体，膜106的至少一个区段具有离子导电的材料。层114，116全等地（一致地）中心地在膜106的相应的侧110，112处平行于一个平面地定位，膜106在该平面中延伸。层114，116在膜106的平面中具有比膜106和尤其比腔104较小的尺寸和由此与衬底102相间隔。
在图1中示出的实施例中，第一层114和第二层116导电的材料由可透气的贵金属形成。但是这对于装置100的功能来说不是强制性要求的。按照实施例也可以使用其它的金属和/或可透气的材料以及非金属用于层114，116。在图1中示出的示例性的装置100中，第一层114和第二层116导电的材料作为用于产生泵电流的电极使用，该泵电流用于将气体通过膜106从外室108泵送到腔104中和/或从腔104泵送到外室108中。为了将电势施加到第一层114和第二层116上，两个层114，116各具有至少一个电的接触接头127。按照一个备选的实施例，装置100在使用层114，116下以上述实施方案设计，用于在气体扩散通过膜106时在第一层114和第二层116之间产生电压。
在图1中示出的装置100的实施例中，压力测量元件118实施成电阻应变片并且被设计成用于，基于膜106的弹性变形产生电压，该弹性变形由于基于泵电流将气体运送到腔104中或者从腔104中运送出来而产生。为了限制膜106在腔104的方向上的偏转，在图1中示出的装置100的实施例具有止挡元件128。止挡元件128在视图中示出的实施例中以在膜106的方向上延伸的柱子的形式中心地布置在腔104的底部124上。为了避免在-在视图中-形成下部的电极的第二层116和衬底102之间短路，止挡元件128可以如绝缘层122那样具有电绝缘的材料。备选地，止挡元件可以导电地实施，因此在导电层116和止挡元件128之间接触的情况下，例如泵送过程被中断。备选地，腔也可以如此地制造，即在传感器的正常运行中，在116和128之间存在接触和由于不允许地高的内压力，膜的拱起导致可探测到的中断。通过这个或这些压力测量元件的信号和与导电的止挡元件的接触的相互关系，也可以进行对压力测量元件的功能检测或校准。
在图1中示出的装置100的实施例中，第二或者说下部的导电的材料的层116在一个与膜106的平面平行的平面中曲折形地构造和在此处附加地作为加热元件被用于加热膜106的位于层114，116之间的区段130。为了通过第二层116产生用于加热功能要求的电流量，该第二层具有第二电的接触接头132。如在图1中的视图示出的，压力测量元件118布置在膜106的要加热的区段130的外部。
在图1中示出的示例性的传感器100包括膜106，该膜以封闭的或者受限制地扩散敞开的腔的形式划分内室或者说腔104和按照实施例另外的内室104和外室108，以及包括由离子导电的材料构成的元件106，该元件布置在内室104和外室108之间。至少膜106的由离子导电材料构造成的部分130被加热地实施。电阻应变片118布置在膜106的被加热的区域130的外部。按照实施例，装置100还可以具有另外的电阻应变片118，它们可以在与第一电阻应变片118的位置不同的另外的位置上布置在膜106处。
通过形式为膜106的离子导电的元件，这个气体或者大量气体被限定地从外室108运动到传感器100的内室或者说腔104中和/或反向地运动。气体的这种“泵送”提供在内室104和外室108之间的压力差，该压力差由在此处形式为电阻应变片的压力传感器118探测。在探测泵电流和/或压力情况下可以计算气体浓度。如果两种参数被同时探测，装置100的功能和精确度被有利地扩展或在内装的自检测试的意义上被有利地检查。
在图1中示出的传感器100的示例性的构造的横截面图中，腔104通过膜106盖住。膜106的弯曲通过测量元件118例如压电式或压阻式地探测。膜106的在此处中心的区段130通过在此处形式为下部的电极116的膜加热器加热。通过在离子导电的膜106上方和下方的两个电极114，116，通过施加电流，气体，尤其地氧气，被泵入和泵出腔104。在此情况下，压力改变，这可以通过膜106的弯曲来测量。在图1中示例性地示出的装置或者说传感器100的构造中，下部的电极116曲折形地实施和同时作为用于膜106的加热器使用。在这种向外泵送气体期间，可以流过较高的泵电流，因此可以实现直到下一个测量的开始为止的短的再生时间。
经由离子导电的元件106将气体泵送到封闭的室104中，导致在那里压力升高，该压力升高通过压力测量元件118压电式地或压阻式地进行测量。在探测泵电流和压力情况下气体浓度被测量。在传感器100的一个有利的运行模式下，气体首先被泵入室104中和接着被从室104中泵出，并且这两个过程被测量。由此可以在自检测试的意义上监视整个传感器100的功能。备选地，也可以在一个较长的、在时间上精确地限定的或者测量的时间间隔上，将气体，该气体仅仅以较小的浓度存在于外室108中，借助于小的仅仅很难可测量到的电流泵送到腔104中。在此，气体聚集在室104中，直到借助于压力传感器118可以以足够的精确度确定被泵入室104中的气体的数量。在一个重新测量过程之前，此时将位于内室104中的气体再次向外泵送，其中，这个过程在对泵电流，即流过的泵电荷，积分时，提供附加的关于之前在室104中聚集的气体量的信息。
在废气传感器的在此处建议的设计构思中，只需要将离子导电的材料带到高的温度上。由于在此处离子导电的特性仅仅在膜106上或者在其部分上是需要的，因此可以实现非常节省功率的加热。在这样仅仅部分地加热的传感器100或者部分加热的薄层-膜106的情况下，功率的消耗尤其在与常规的陶瓷废气传感器比较下是低得多的。其余的传感器元件100可以在环境温度下或在恒定的、但是仅仅稍微超过环境温度的温度下运行，例如通过从加热的膜106中排出热量或者通过第二加热机构。此外通过在膜106中的加热，可以确定在室104中的气体的存在和必要时也依据在温度变化时不同的特性确定它的成分。在室104中存在气体的情况下，在加热时通过膜106实现压力升高，该压力升高可以借助于传感器元件118测量。通过该加热，由此可以同时实施传感器100的功能控制或完整性控制（检查）。限定的温度升高在此必定导致限定的、可能时预先通过校准确定的压力升高。
在图1中示出的装置100的实施例中，用于膜106的加热器同时被用作下部的电极116。这在此处通过将第二导电的层116实施成可透气的贵金属层，其例如由Pt或Pt-Rh-合金构成，实现。可加热的第二导电的层116以曲折的形式被结构化和具有两个电的接头127，132。由此层116可以或者被用于加热，其中在两个接头127，132处施加不同的电势，或者被用作电极，其中在两个接头127，132处施加相同的电势。为了泵送目的，该金属层116可以非常低欧姆地设计，由此施加的加热电压仅仅是非常小的并且与在此处通过第一导电的层114形成的对应电极相比较具有几乎恒定的电势。由此在膜130中在侧112上仅仅形成很小的充电或极化效应，这导致对测量精度的较小的影响。
在通过脉冲宽度调制方法对膜106加热的运行模式下，可以在断开阶段中将一个电势施加到下部的电极116上或测量一个施加在下部的电极116上的电势。有利地，在对加热器116加载电压期间，高欧姆地设计全部电极，其与被加热的、离子导电的层106连接，以便通过在朝着加热器116的方向上的电势差避免充电效应或极化效应。
按照备选的实施例，第二导电的层116可以仅仅被用作电极并且安装用于加热膜106的单独的加热器。
图2借助于俯视图示出用于探测气体的参数的装置100的另一个实施例。如视图示出的，在图2中示出的示例性的实施方式的衬底102具有四个腔104，它们以正方形并且均匀地相互相间隔地构造在衬底102中。四个腔104中的每个又被一个具有第一导电的层114和第二导电的层116的、至少分区段地离子导电的膜106盖住。装置100的每个具有腔104的区段的构造对应于在图1中示出的具有仅仅一个腔的实施例的构造并且也包括相同的元件，区别在于，在图2示出的示范性的传感器100中，每个腔104配设复数的在此处作为电阻应变片实施的四个压力测量元件118。装置100的四个具有腔104的区域中的每个区域犹如形成传感器100的四个相同的传感器元件200的一个。
如在图2中的视图示出的，对于传感器100的每个具有腔104的区域，在矩形的腔104的四个边的每个边的中心处，在膜106和衬底102的绝缘层122之间的过渡处并且与相应的导电的层114相间隔地各布置一个压力测量元件118。相应于这种布置，每两个在腔104的相对置的侧边上布置的电阻应变片118具有借助于在视图中的方向箭头表示的共同的探测方向202，该探测方向横向于每另外两个在腔104的相对置的侧边上布置的电阻应变片118的借助于方向箭头表示的另外的共同的探测方向204延伸。
传感器100，如其示例性地在图2中示出的那样，适合用于补偿压力波动和用于积分的测量。这如此地实现，即例如第一传感器元件200例如仅仅测量环境压力，第二或第二和第三传感器元件200通过泵送在时间上错开地，但是重叠地，测量气体浓度和传感器元件200中的第四传感器元件被泵空。理想地，传感器元件200的功能在一定的时间之后轮转。在其中一个元件200失效的情况下，有利地在紧急运行中总是还能够继续测量。
为了提高精度，和为了能够补偿在外室108的压力中的波动，按照实施例，四个传感器元件200的一个或另一个传感器元件可以被用作没有泵送功能的基准压力传感器。传感器元件200中的多个或全部传感器元件也可以在时间上错开的运行中具有相同的功能，其中，例如第一传感器元件200将气体泵入它的室104中，第二传感器元件200在此时被泵空和第三传感器元件200用作基准元件被用于在外室108中的波动的压力。按照另外的实施例，可以借助于另外的–在图中没有示出的-测量元件至少测量温度以及废气质量流，以便能够推断出废气的实际的质量流量和由此气体浓度。
通过在图2中示范性地介绍的在装置100中的多个单独的传感器或传感器元件200的组合，可以通过单独元件200的相互补偿例如通过用于泵送气体通过膜106的泵送方法和借助于压力测量元件118的压力测量方法提高测量的精度。通过传感器元件200的冗余度，提高例如在机动车的车载诊断中使用的传感器100的失灵安全性。为了进一步提升精度，在此也可以至少有时地或者在校准期间在相同的运行方式下(例如纯压力测量或泵送直到一定的压力)使用一些元件，以便由此确定用于每种运行方式和用于每个传感器元件相对于另外的元件的各校准参数并且存储在评价机构302的存储器中(参见图3)。在以后使用时，为了控制功能能力，可以再次确定传感器元件相互间的偏差并且在不允许的偏差程度的情况下评价单元可以合适地反应，例如输出报警。
具有多个较小的室104或传感器200的装置100的在图2中示例性的介绍的冗余的实施方案，除了上面解释的优点即各单独的元件200在正常运行中被交替地运行以外，还提供可能性：为了检查传感器100的功能，传感器元件200可以暂时地也同时地运行。通过在同时运行之后将各个传感器200的测量结果相互比较，可以进行该功能控制。为了在泵空之后在一个或全部传感器元件200的非常低的内压力下减小膜106的机械负荷，也在图2中示出的装置100的实施例中在腔104中布置止挡元件，用于限制膜106的运动(在图2中的视图中不能够看见)。
图3示出用于确定气体的参数的示例性的测量系统300的原理性的框图。测量系统300包括借助于图1解释的装置100的实施例以及与装置100耦联的评价机构302并在机动车304中使用，用于确定在机动车304的废气306中的有害气体浓度。
机动车304可以是与公路相关联的机动车如轿车或卡车。通过机动车304的管道系统308，气体或废气306的一个部分流被分支出来并且引导到测量系统300，以便对传感器100加载气体306。依据测量系统300的实施方案的情况，评价机构302与装置100的第一层导电的材料和/或第二层导电的材料和/或压力测量元件耦联(在图3中的视图中没有明确地示出)并且设计成用于，基于第一层和/或第二层的至少一个电势和/或基于由压力测量元件探测的在装置100的腔中的气体压力确定在废气306中的有害气体浓度。测量系统300可以布置在机动车304中的任意的位置上，例如也可以远离机动车304的发动机舱310。
在图1至3中示出的装置100可以是基于MEMS-工艺的微型化的、组合的气体和压力传感器。按照实施例，在此处介绍的传感器100的制造通过一种修改的压力传感器制造工艺来实现。在传感器制造中，在使用APSM工艺下，在施加离子导电的材料106和随后的热处理期间就已经可以完成由多孔材料形成的腔104的释放，尤其是当为了施加或热处理离子导电的材料106使用例如采用高温的YSZ方法时，例如具有例如800℃的沉积温度的脉冲激光沉积或随后的具有类似的或更高温度的热处理步骤。
图4示出用于运行用于探测气体的参数的装置的方法400的实施例的流程。方法400可以被实施用于运行传感器，如其借助于在前面解释的图1至3进行介绍的那样。
在步骤402中将电压施加到第一层和第二层导电的材料传感器之间，用于将气体通过在第一和第二层之间布置的离子导电的膜从外室泵送到在膜下方布置的传感器的腔中。在步骤404中在第一层和/或第二层处和/或在一个在膜处布置的传感器的压力测量元件探测电参数，用于探测气体的参数。在步骤406中将电压重新施加到第一层和第二层之间，用于将气体通过膜从腔泵送到外室中。随后进行步骤408:重新探测在第一层和/或第二层处和/或在压力测量元件处的电参数，用于重新探测气体的参数。
按照一个实施方式，方法400可以作为脉冲宽度调制方法实施。在此，施加电压的步骤402或重新施加电压的步骤406可以与为了加热膜在第一层或第二层上施加电压的步骤交替地实施。
一个按照在此处介绍的设计构思构造的、基于离子导电的材料的压力传感器-传感器组合适合作为化学的气体传感器，尤其地作为用于汽车的废气传感器使用和用于固定式的应用。一个主要的应用可能性是作为λ探测器使用，必要时具有也用于探测另外的废气成分如二氧化氮的备选的结构。
描述的和在图中示出的实施例仅仅是示例性地选择的。不同的实施例可以完全地或关于各单独的特征相互组合。一个实施例也可以通过另一个实施例的特征进行补充。
此外，在此处介绍的方法步骤可以重复地以及以不同于描述的顺序地实施。
如果一个实施例包括在第一特征和第二特征之间的“和/或”连接词，那么这应该解读为，该实施例按照一个实施方式，不仅具有第一特征而且具有第二特征和按照另一个实施方式，或者仅仅具有第一特征或者仅仅具有第二特征。
Claims (15)
1.用于探测气体(306)的参数的装置(100)，其中，装置(100)具有以下特征:
至少一个用于容纳来自外室(108)的气体(306)的腔(104)；
至少一个用于将腔(104)相对于外室(108)分开的膜(106)，其中，面对外室(108)的膜(106)的第一侧(110)具有第一层(114)导电的材料和面对腔(104)的、与第一侧(110)相对置的、膜(106)的第二侧(112)具有第二层(116)导电的材料，和其中，膜(106)的至少一个区段具有离子导电的材料；和
至少一个布置在膜(106)处或中的、用于探测在腔(104)中的气体压力的压力测量元件(118)，尤其地其中，所述压力测量元件(118)也可以包含温度测量机构。
2.根据权利要求1所述的装置(100)，其特征在于，第一层(114)，膜(106)和第二层(116)被设计成用于在一个施加在第一层(114)和第二层(116)之间的电压下将气体(306)通过膜(106)泵送和/或被设计成用于在气体(306)通过膜(106)扩散时在第一层(114)和第二层(116)之间产生一个电压。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，其特征在于，第一层(114)和/或第二层(116)具有第一电的接触接头(127)和第二电的接触接头(132)和被设计成用于，基于在第一电的接触接头(127)和第二电的接触接头(132)之间的电流量，加热膜(106)的至少一个区段(130)。
4.根据权利要求3所述的装置(100)，其特征在于，压力测量元件(118)布置在膜(106)的要加热的区段(130)的外部。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，其特征在于，第一层(114)和/或第二层(116)曲折形地布置。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，其特征在于，装置(100)具有用于限制膜(106)的偏转的止挡元件(128)，尤其地其中，止挡元件(128)布置在腔(104)的底部(124)上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，其特征在于，装置(100)具有至少一个第二压力测量元件(118)，其布置在膜(106)处的、与压力测量元件(118)的位置不同的另外的位置处，尤其地其中，压力测量元件(118)的探测方向不同于该另外的压力测量元件(118)的探测方向。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，其特征在于，装置(100)具有至少一个用于容纳来自外室(108)的气体(306)的另外的腔(104)，至少一个用于将所述另外的腔(104)相对于外室(108)分开的另外的膜(106)和至少一个布置在膜(106)处的、用于探测在所述另外的腔(104)中的气体压力的另外的压力测量元件(118)，其中，面对外室(108)的、所述另外的膜(106)的第一侧具有另外的第一层(114)和面对所述另外的腔(104)的、与第一侧相对置的、所述另外的膜(106)的第二侧具有另外的第二层，和其中，所述另外的膜(106)的至少一个区段具有离子导电的材料。
9.用于确定气体(306)的参数的测量系统(300)，其中，测量系统(300)具有以下特征:
根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)；和
评价机构(302)，其中，评价机构(302)与所述第一层(114)和/或所述第二层(116)和/或所述压力测量元件(118)耦联并且被设计成用于，基于第一层(114)和/或第二层(116)的至少一个电势和/或基于由压力测量元件(118)探测的在腔(104)中的气体压力确定气体(306)的参数。
10.用于运行用于探测气体(306)的参数的装置(100)的方法(400)，其中，装置(100)具有至少一个用于容纳来自外室(108)的气体(306)的腔(104)，至少一个用于将腔(104)相对于外室(108)分开的膜(106)，其中，面对外室(108)的、膜(106)的第一侧(110)具有第一层(114)和面对腔(104)的、与第一侧(110)相对置的、膜(106)的第二侧(112)具有第二层(116)和膜(106)的至少一个区段具有离子导电的材料，和具有至少一个布置在膜(106)处的、用于探测在腔(104)中的气体压力的压力测量元件(118)，和其中，所述方法(400)具有以下步骤:
在第一层(114)和第二层(116)之间施加(402)电压，用于将气体(306)通过膜(106)从外室(108)泵送到腔(104)中；和
至少在第一层(114)和/或第二层(116)处和/或在压力测量元件(118)处探测(404)电参数，用于探测气体(306)的参数。
11.根据权利要求10所述的方法(400)，其特征在于，所述方法(400)此外具有步骤：在第一层(114)和第二层(116)之间重新施加(406)电压，用于将气体(306)通过膜(106)从腔(104)泵送到外室(108)中，和具有步骤：至少在第一层(114)和/或第二层(116)处和/或在压力测量元件(118)处重新探测(408)电参数，用于重新探测气体(306)的参数。
12.根据权利要求10或11所述的方法(400)，其特征在于，用于运行装置(100)的所述方法(400)被作为脉冲宽度调制方法实施，其中，在第一层(114)和第二层(116)之间施加(400)电压的步骤与为了加热膜(106)的区段(130)在第一层(114)或第二层(116)上施加电压的步骤交替地实施。
13.装置(100)，其被设计成用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法(400)的全部步骤。
14.计算机程序，其被设置用于，实施根据前述权利要求中任一项所述的方法(400)的全部步骤。
15.可机读的存储介质，其具有存储在其上的根据权利要求14所述的计算机程序。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170222 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |